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English

一次独立かどうかを見分ける(行列式・階数・定義から)

本数と次元が同じなら、列に並べた行列の行列式を見る。 でなければ一次独立である[1]

本数と次元が違うときは行列式が作れないので、階数を数える。階数が本数に届けば一次独立になる。

定義に戻る道もある。 の解が だけかを直接調べる方法で、関数のように成分がない相手にはこれを使う[3]

以下 12 問。3 つの道具を場面ごとに使い分ける。

問題 1

次元に 本なので、列に並べて行列式をとる。

なので一次従属である。実際 と書ける。

問題 2

行列式を計算する。

でないので一次独立。 本が空間を張る。

問題 3

なので一次従属である。行列式でも になる。

本の場合は、一方が他方の定数倍かどうかを見れば足りる。計算する前に気づくことが多い。

問題 4

の中の 本のベクトルについて、一次独立になりうるかを答えよ。

なりえない。 次元空間で 本より多くとると、必ず一次従属になる。

列に並べると 行列で、階数は 以下。本数の に届かないためである。

連立方程式の側から見ても同じ。未知数 、式 の同次方程式は、自明でない解を必ず持つ。

問題 5

零ベクトルを含む組が一次従属であることを示せ。

とする。 が成り立つ。

係数のうち 個が でないので、定義から一次従属である[3]

他のベクトルがどれだけ「独立らしく」ても、零ベクトルが 1 本混じるだけで従属になる。

問題 6

次の 組を判定せよ。

どちらも 次元に 本なので、正方行列にならず行列式が使えない。階数で判定する。

組 A は 本目が 本目の 倍。階数は で、本数の に届かないので一次従属。

組 B は比例していない。掃き出すと段が つでき、階数 。本数と一致するので一次独立である。

問題 7

次元に 本。列に並べた 行列を掃き出す。

上から 行が単位行列の形なので、それだけで段が つできる。第 行は掃き出すと になる。

階数は で本数と一致するので、一次独立である[2]

問題 8

多項式 が一次独立であることを示せ。

成分がないので、定義に戻る。 がすべての で成り立つとする。

を入れると を入れると で、

係数がすべて になったので一次独立である。

でない多項式は根が有限個しかない、という事実を使ってもよい。恒等的に なら係数がすべて になる。

問題 9

関数 が一次独立であることを示せ。

がすべての で成り立つとする。

を入れると を入れると

適当な点を代入するだけで係数が落ちる。関数の一次独立は、この形で示すことが多い。

問題 10

次が一次従属になる を求めよ。

列に並べて行列式をとる。

のとき になる。このとき で、確かに従属である。

問題 11

定義から の一次独立を示せ。

とおく。成分ごとに書くと

足すと 、引くと 。自明な解しかない。

行列式でも で同じ結論になる。

問題 12

一次独立なら直交する、という主張の反例を挙げよ。

をとる。行列式は なので一次独立である。

ところが内積は 。直交していない。

逆向きは成り立つ。 でないベクトルが互いに直交していれば、必ず一次独立になる。

一次独立

原点以外で重ならない方向をもつ。角度は関係しない

直交

内積が 。一次独立より強い条件で、逆は成り立たない

本数と次元が同じなら行列式

違うなら階数

成分がなければ定義に戻る

整理

判定法は 3 つある。行列式は正方のときだけ、階数はいつでも、定義は成分がない相手にも使える。

次元で 本より多ければ、計算する前に従属だと決まる。零ベクトルが混じっている場合も同じ。

本なら比例しているかを見るだけで済む。本数が少ないうちは、行列式より目で見たほうが速い。

一次独立は方向の重なりを見る条件で、角度は問わない。直交と混ぜないことが要点である。

参考

Sergei Treil. *Linear Algebra Done Wrong*, Chapter 2. Brown University.
Andreas Gathmann. *Das Gauß-Verfahren*. Grundlagen der Mathematik, RPTU Kaiserslautern.
Linear independence. StatLect.
本数と次元が同じなら行列式、違うなら階数、成分がなければ定義に戻る。3 つの道具を場面ごとに使い分けます。12 問で、$3$ 次元の $3$ 本を行列式で判定する形から、$3$ 次元の $2$ 本や $4$ 次元の $3$ 本を階数で見る形、多項式 $1, x, x^2$ や $\sin x$ と $\cos x$ を定義から示す形まで扱いました。$n$ 次元で $n$ 本より多ければ計算する前に従属だと決まること、零ベクトルが 1 本混じるだけで従属になること、$k$ の値で結論が変わる問題も入れています。一次独立と直交を混同しやすい点は、$(1,0)$ と $(1,1)$ の反例で分けました。